El uso de la radiación del sincrotrón Microtomografía encargado de investigar multi-escala Paquetes microelectrónicos tridimensionales

Resumen

Para este estudio radiación sincrotrón micro-tomografía, una técnica de imágenes no destructivo de tres dimensiones, se emplea para investigar un paquete microelectrónico entero con un área de sección transversal de 16 x 16 mm. Debido al alto flujo y el brillo del sincrotrón la muestra fue fotografiada en sólo 3 minutos con una resolución espacial de 8,7 micras.

Resumen

La radiación sincrotrón micro-tomografía (SRμT) es una técnica no destructiva en tres dimensiones (3D) de imágenes que ofrece un alto flujo de tiempos de adquisición de datos rápida con alta resolución espacial. En la industria electrónica existe un serio interés en la realización de análisis de fallos en los paquetes microelectrónicos 3D, muchos de los cuales contienen múltiples niveles de interconexiones de alta densidad. A menudo, en la tomografía hay un compromiso entre la resolución de la imagen y el volumen de una muestra que se pueden obtener imágenes. Esta relación inversa limita la utilidad de los sistemas convencionales de tomografía computarizada (TC) desde un paquete microelectrónica es a menudo grandes en el área de la sección transversal 100-3,600 mm ^2, pero tiene características importantes de la escala del micrón. La línea de luz micro-tomografía en la Advanced Light Source (ALS), en Berkeley, CA, EE.UU., tiene una configuración que es adaptable y se puede adaptar a las propiedades de una muestra, es decir, la densidad, espesor, etc., con un máximo permitanSección transversal capaz de 36 x 36 mm. Esta configuración también tiene la opción de ser o monocromática en el rango de energía ~ 7-43 keV y la operación con flujo máximo en el modo de luz blanca utilizando un haz policromático. Aquí se presentan los detalles de las etapas experimentales adoptadas para imagen completa de un sistema de 16 x 16 mm dentro de un paquete, con el fin de obtener imágenes 3D del sistema con una resolución espacial de 8,7 micras todo dentro de un tiempo de ciclo de menos de 3 min. También se muestran los resultados de los paquetes analizados en diferentes orientaciones y un paquete seccionado para una mayor resolución de imagen. En contraste, un sistema de TC convencional llevaría horas para registrar los datos con la resolución potencialmente más pobre. De hecho, la relación de campo de vista a tiempo de producción es mucho mayor cuando se utiliza la configuración de sincrotrón tomografía radiación. La siguiente descripción de la configuración experimental puede ser implementado y adaptado para su uso con muchos otros múltiples materiales.

Introducción

En el campo de la microelectrónica, como en muchos otros campos, la evaluación no destructiva en la escala del micrómetro es necesario cuando la caracterización de las muestras. Específicamente para la industria de la microelectrónica hay interés en el sondeo paquetes de microelectrónica en 3D, que contiene múltiples niveles y múltiples materiales, y la identificación de fallos en paquetes durante térmica, eléctrica, mecánica y haciendo hincapié en los componentes. En todo el mundo sincrotrón instalaciones de radiación han designado líneas de luz y de tomografía de difracción que se utilizan para el análisis de fallos de paquetes microelectrónicos. Algunos ejemplos de esto son imágenes de la formación vacío causado por electromigración ^1-3, evaluando los mecanismos para el crecimiento de la barba ^4,5 estaño, las observaciones in situ de subenfriamiento y la expansión térmica anisotrópica de estaño y compuestos intermetálicos (IMC) ^6,7, la observación in situ de la solidificación y la formación de IMC ^8-10, comportamiento mecánico anisótropo yLa recristalización del estaño y plomo soldaduras sin huecos ^10, en golpes flip chip, y en observaciones in situ de sinterización ^Ag-11 NanoInk. Todos estos estudios han avanzado más la comprensión y el desarrollo de los componentes en la industria microelectrónica. Sin embargo, muchos de estos estudios se han centrado en las pequeñas regiones dentro del paquete. Más información puede ser obtenida de las pruebas y caracterizar el paquete de tamaño completo el uso de alta resolución SRμT con el fin de promover su desarrollo.

Los paquetes electrónicos están produciendo ahora contienen múltiples capas de interconexiones. Estos paquetes y dispositivos son cada vez más y más complejo que exige una solución 3D para la evaluación no destructiva con respecto al análisis de fallos, control de calidad, evaluación de riesgos fiabilidad, y el desarrollo. Algunos defectos requieren una técnica que puede detectar características de menos de 5 micras de tamaño, que incluyen huecos y grietas que forman el interior de cobre suVias bstrate, la identificación sin contacto plataformas de soldadura abierto y nonwet en envases de múltiples niveles ^12, localizar y cuantificar los huecos en las matrices de rejilla de bolas (BGA) y las juntas de soldadura C4. Durante el proceso de montaje sustrato deben ser identificados estos tipos de defectos y monitoreados ampliamente para evitar fallos no deseados.

sistemas actualmente CT utilizando fuentes basadas en laboratorio, también conocidos como tablero de la mesa, son capaces de proporcionar tan alta como 1 m de resolución espacial ~, y se utilizan para aislar fallos en paquetes de varios niveles con resultados prometedores. Sin embargo, los sistemas de sobremesa CT tienen algunas limitaciones en comparación con configuraciones SRμT ^13,14. sistemas de mesa se limitan a solamente imágenes de un cierto rango de densidad de los materiales, ya que por lo general sólo contienen espectros de fuente de rayos X una o dos. También a través de los tiempos-puesto (TPT) permanece mucho tiempo para sistemas de sobremesa CT convencionales que requieren varias horas de tiempo de adquisición de datos por 1-2 ^mm2 región de interés, que can limitar su utilidad; por ejemplo, el análisis de fallos en Vias a través del silicio (TSV), BGA o articulaciones C4 menudo requieren la adquisición de múltiples campos de visión (FOV) o regiones de interés en alta resolución dentro de la muestra, lo que resulta en TPT total de 8-12 horas, la cual es un tapón de la demostración de los sistemas de TC de mesa convencionales cuando se tienen múltiples muestras para ser analizadas. La radiación sincrotrón ofrece mucho más alto flujo y el brillo de las fuentes convencionales de rayos X, lo que resulta en tiempos de adquisición de datos mucho más rápidas para una región determinada de interés. Aunque SRμT sí permite más flexibilidad con respecto a los tipos de materiales que se pueden obtener imágenes y volumen de la muestra, tiene sus limitaciones, que son específicos a la fuente de sincrotrón y la configuración utilizada, el espesor específicamente máximo aceptable y tamaño de la muestra. Para la configuración SRμT en la ALS del área de la sección transversal que se pueden obtener imágenes es <36 x 36 mm y el espesor está limitado por el rango de energía y el flujo disponible y es s materialesESPECÍFICOS.

Este estudio se usa para demostrar cómo SRμT puede ser utilizado para la imagen de un sistema de varios niveles en todo el paquete (SIP) para su uso con alta resolución y baja TPT (3-20 min) en la inspección de paquetes de semiconductores 3D. Más detalles sobre la comparación de mesa de TC de Sincrotrón Fuente de CT se pueden encontrar en las referencias ^13,14.

Descripción general y experimental Beamline 8.3.2 Descripción:
Hay instalaciones de sincrotrón disponibles para experimentos de tomografía de todo el mundo; la mayoría de estas instalaciones requieren la presentación de una propuesta donde el experimentador describe el experimento, así como su impacto científico. Los experimentos descritos aquí fueron realizados en la ELA en el Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) en la línea de luz 8.3.2. Por esta línea de luz hay dos opciones de modo de energía: 1) monocromática en el rango de energía ~ 7-43 keV o 2) policromática luz "blanca", donde todo el availaespectro de energía ble se utiliza al escanear materiales de alta densidad. Durante un análisis típico en línea de luz 8.3.2 una muestra se monta en una etapa de rotación donde los rayos X penetran la muestra, a continuación, los rayos X atenuadas se convierten en luz visible a través de un centelleador, magnificados por una lente, y luego proyectan en una CCD para la grabación. Esto se realiza mientras gira la muestra de 0 a 180 ° producir una pila de imágenes que es reconstruida para obtener una vista en 3D de la muestra con resolución micrométrica. El tamaño conjunto de datos de tomografía resultante varía de 3 a 20 ~ Gb dependiendo de los parámetros de exploración. La figura 1 muestra un esquema de la cabina donde se escanea la muestra.

El siguiente protocolo se presenta aquí se describe la configuración experimental, adquisición de datos y pasos de procesamiento requerido para obtener imágenes de todo un paquete de microelectrónica, pero los pasos se puede modificar a la imagen de una variedad de muestras. Las modificaciones dependen del tamaño de la muestra,densidad, geometrías y características de interés. Las tablas 1 y 2 presentan las combinaciones de resolución y el tamaño de muestra disponibles en la línea de luz 8.3.2 (ALS, LBNL, Berkeley, CA). Para el paquete microelectrónico investigado aquí la muestra fue fotografiada utilizando un haz policromático ( "blanco"), que fue seleccionada debido al espesor y alta densidad de los componentes de la muestra. La muestra se montó en la orientación horizontal sobre un mandril de montaje, esta orientación permitido para toda la muestra para ajustarse dentro de la altura de la viga, que es paralela con una altura de ~ 4 mm y la anchura de ~ 40 mm, por lo tanto, sólo requieren un escanear para captar toda la muestra.

Protocolo

Nota: detalles del protocolo se describen a continuación fueron escritos específicamente para el trabajo en la línea de luz 8.3.2 en la ALS, Berkeley, CA. Las adaptaciones pueden ser necesarias para el trabajo en otras instalaciones de sincrotrón, que se pueden encontrar en todo el mundo. Se requiere de seguridad adecuado y la formación de radiación para llevar a cabo experimentos en estas instalaciones y las directrices para la formación se puede encontrar en la página web de cada instalación de sincrotrón individual. Cualquier cambio o actualización en el protocolo de tomografía (ALS, LBNL, Berkeley, CA) se pueden encontrar en el manual en línea de haz ^15. Los detalles sobre el proceso de tomografía se pueden encontrar en la referencia ^16. Los científicos la línea de luz están disponibles para responder cualquier pregunta y facilitarán la configuración experimental.

1. Los pasos para realizar exploraciones de tomografía en Beamline 8.3.2 (ALS, LBNL)

1. Preparar la muestra para el análisis montándolo en un soporte de muestras diseñado para encajar en la etapa de rotación de la línea de luz. Para las muestras que no tienen un custom montar, se adhieren la muestra a un poste o portabrocas con arcilla o cera.
   Nota: La muestra escaneada en este estudio fue un paquete microelectrónico que es 16 x 16 mm y sólo ~ 3 mm de altura. Con el fin de adaptarse a todo el paquete en el campo de visión de la muestra se monta horizontalmente usando la arcilla siempre en la línea de luz.
   1. Alinear la muestra para asegurar que cuando se gira a través de 180 grados que se mantiene dentro del campo de visión. Antes de cargar la muestra en la etapa de rotación dentro de la cabina hay una etapa de rotación mock fuera de línea que se utiliza para alinear la muestra. La inspección visual del centro de rotación es generalmente suficiente para la alineación.
   2. Montar la muestra unida al soporte de la muestra dentro de la cabina. Una vez que la muestra se ha montado en la cabina, dos motores de centrado ortogonales permiten la colocación de la muestra con respecto al centro de rotación.
      Nota: A veces es necesaria la preparación de muestras antes de tiempo experimento con el fin de asegurarse de que la muestratamaño es correcto para la resolución deseada. Por ejemplo, algunos de los paquetes microelectrónicos 16 x 16 mm se seccionaron en piezas más pequeñas para su posterior escaneo de alta resolución. El tamaño de la muestra se puede determinar utilizando las Tablas 1 y 2.
2. Seleccione el aumento para el análisis basado en el tamaño de tamaño de la muestra y de características de interés. Línea de luz 8.3.2 tiene varias lentes para elegir que producen imágenes con una gama de tamaños de pixel 0,35-9 m. Según la ampliación, la muestra debe ser de área de sección transversal adecuada, ya que el campo de visión disminuye con el aumento de aumento.
   1. Dado que la muestra escaneada aquí es de 22,6 mm en la dirección más larga, seleccionar la lente 1X con el PCO.4,000, como se muestra en las Tablas 1 y 2, esta combinación da el campo de muestra más grande de vista. El tamaño de píxel resultante es de 8,7 micras.
3. Establecer la energía de rayos X o cambiar a un polychhaz romántico por ahí usando el ordenador de control Beamline. El rango de energía de rayos x en la línea de luz es continua 8.3.2 4-80 keV, pero montado el monocromador de múltiples capas limita el rango de energía para ~ 7-43 keV, mientras que el flujo máximo se produce a ~ 12 keV. Para obtener la imagen de la mejor calidad, basar la selección de energía en la orientación de una transmisión de ~ 30%, que se puede medir en la adquisición de datos por ordenador. En general, los aumentos% de transmisión con el aumento de la energía.
   1. Para el paquete de microelectrónica, "seleccione blanca" debido al grosor y el material del envase.
      Nota: El manual de la línea de luz 8.3.2 ha detallado los pasos para cambiar entre la luz "blanca" y el modo monocromático.
   2. Cuando se utiliza el modo de luz "blanca", añadir 2-4 filtros de aluminio metal y cobre en línea con el haz de rayos X con el fin de filtrar los rayos X de baja energía. Para esta muestra, utilizar 2 láminas de cobre con un espesor total de ~ 1,2 mm.
   3. Calcular la transmisión a través de la muestra por delante de time mediante el uso de:
      http://henke.lbl.gov/optical_constants/filter2.html o http://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/ o http://11bm.xray.aps.anl.gov/absorb/absorb .php. Por ejemplo, insertando la fórmula química y el espesor estimado para la salida de la muestra voluntad un gráfico que muestra el porcentaje de transmisión como una función del rango de energía.
4. Compruebe que el centro de rotación de la etapa está alineado con el centro de la cámara. Para comprobar que la muestra se alinea rotación a través de 180 grados usando el software en el ordenador de control Beamline y observar visualmente el cambio en la ubicación de la muestra mediante la visualización de las radiografías en el equipo. Control cambia a la alineación en el mismo equipo. La calidad de imagen se deteriora cuando la alineación de la muestra es lo suficiente para que las regiones de la muestra salen del campo de visión durante la rotación de la muestra.
5. establecer manualmente la muestra al detector de distancia para la exploración. La cámara está en una etapa de traslación que pueden moverse horizontalmente, que se utilizapara cambiar la muestra a la distancia del detector. Cuando la distancia aumenta la contribución de contraste de fase también aumenta. efectos de fase son útiles para mayor facilidad de imagen grietas sutiles y bordes, pero también causan otros artefactos "efecto halo" que a menudo son indeseables.
6. Verificar la alineación línea de luz. Compruebe el enfoque de la imagen y ajustar el motor de enfoque si es necesario. Confirmar que la calibración tamaño de píxel es correcta moviendo la muestra una cantidad definida y midiendo el número de píxeles de la muestra se trasladó a calcular m / pixel. El tamaño del voxel cambiará dependiendo de la configuración experimental.
   1. Compruebe que a medida que la imagen se mueve horizontalmente, la imagen cuenta con pista horizontalmente a lo largo de un píxel constante, y si no es así, ajustar el motor de inclinación de la cámara de manera que lo hacen. Esto alinea el eje de rotación de modo que sea paralelo a las columnas de píxeles, que es la alineación asumido después por los algoritmos de reconstrucción.
7. Seleccionar un tiempo de exposición para cada radiografía. El rango para el tiempo de exposición es 1-1,500 mseg y la selección depende de la energía de exploración y la resolución (que determina el flujo observado por elemento de resolución). El tiempo seleccionado debe proporcionar una compensación entre el tiempo de exploración más rápida y un análisis con más cargos y por lo tanto la mejor relación señal-ruido.
   1. Para el paquete de microelectrónica, use un tiempo de exploración muestra de 100 ms por la exposición.
      Nota: Asegúrese de que no hay píxeles saturados o al menos menos que el objetivo recomendado de 100. El sistema de control está configurado para mostrar el recuento de la cámara en una escala convertida de manera que las cuentas máximas de cada cámara es 65.535.
8. Configurar los parámetros de escaneado mediante la adquisición de datos de la computadora.
   1. Introducir la gama angular deseada, y el número de imágenes para recoger dentro de ese intervalo. Los más ángulos seleccionados más largos serán los tiempos de exploración y mayor sea el tamaño de conjunto de datos. números comunes de ángulos son 513, 1.025 y 2.049 en un rango de 0-180 grados. Para este estudio, el uso1.025 ángulos de más de 180 grados durante la adquisición de datos.
   2. Seleccione el modo de exploración. Las dos opciones para el modo de exploración son: 1) normal y 2) la tomografía continua. Se prefiere el modo continuo ya que resulta en el tiempo de ciclo más corto, ~ 3 min. En este modo, la etapa de rotación se mueve continuamente a medida que se recogieron imágenes. En el modo normal, la etapa de rotación se detiene en cada ángulo y luego se recoge una imagen.
   3. Introduce el número de imágenes de campo claro y oscuro. Las imágenes de campo brillantes y oscuras son necesarios para llevar a cabo la reconstrucción. Para las imágenes de campo oscuro y las persianas de cierre para el campo brillante o imágenes de fondo las muestras se mueve fuera del campo de visión. Compruebe que la muestra se traduce lo suficiente para que no está presente la imagen de campo brillante en el fin de evitar grandes defectos en las imágenes reconstruidas. En este caso, la adquisición de 15 imágenes de campo oscuro y 15 imágenes de campo claro.
   4. Determinar si es necesario suelo de baldosas. Si la muestra es más alto que el campo of ver hay una opción de segmentación, que analizará la muestra y luego traducirlo verticalmente hasta que se captura toda la muestra.
9. Ejecutar exploración se ejecutan en el ordenador de adquisición de datos. El análisis se ejecutará automáticamente en función de los ajustes introducidos.

2. Pasos para el procesamiento de datos tomográfica

1. Transferir datos a un ordenador de análisis disponibles en la línea de luz para realizar la reconstrucción y el filtrado del conjunto de datos utilizando el protocolo de línea de luz. La reconstrucción puede funcionar independientemente de la adquisición de datos.
   Nota: Los datos se transfieren automáticamente a NERSC, un ordenador de alto rendimiento, donde se procesa y se reconstruye. Los usuarios pueden registrarse para obtener una cuenta en NERSC acceder a sus datos a través del portal de Internet SPOT suite en spot.nersc.gov. Este portal se encuentra todavía en el modo de desarrollo, por lo que muchos usuarios prefieren tener un mayor control sobre los parámetros de reconstrucción, en cuyo caso se siguen los pasos restantes.
2. ReconstRUCT las imágenes en bruto siguientes pasos: 1) normalizar las imágenes, 2) crear pila de sinogrammes, 3) solicitar la eliminación / filtros anillo, y 4) llevar a cabo la reconstrucción de haz paralelo. La reconstrucción se basa en un algoritmo de retroproyección filtrada. Los resultados proceso de reconstrucción de imágenes TIFF que contienen información sobre la ubicación y la intensidad de cada pixel que constituyen el volumen de la muestra. Un diagrama esquemático de todo el proceso se muestra en la Figura 2.
   1. Para acceder al plugin de iniciar FIJI (que es un acrónimo de Fiji es apenas ImageJ) y seleccione el menú Plugins → → ALSmicroCT NormalizeStack832newnaming como se muestra a continuación. Un usuario en la instalación de la ELA puede realizar todo el proceso de reconstrucción usando un plugin personalizado para ImageJ / Fiji, que integra varios paquetes de software diseñados para agilizar el proceso de reconstrucción.
      Nota: Fiji y el plugin están disponibles para su uso en varios equipos de análisis Beamline 8.3.2.
   2. Una vez que el cuadro de diálogo está abierto FIJI, Como se muestra a continuación, seleccione el archivo en bruto destinada a la reconstrucción. La pila de imágenes en bruto, brillantes y oscuros ahora debe ser cargado.
   3. Encontrar el centro de rotación haciendo clic en "Detectar centro de rotación ', luego de visualizar la imagen reconstruida seleccionar" reconstrucción Vista previa'. El valor para el centro de rotación también se puede introducir manualmente y vista previa.
   4. El uso de esta interfaz, existe la opción de cambiar los parámetros de eliminación de anillo, el tipo de imagen (8, 16, o 32 bits), el rango de píxeles, ángulo de rotación de las imágenes, y definir región recortada. Cada nuevo conjunto de parámetros se puede visualizar utilizando el botón "Vista previa de reconstrucción".
   5. Una vez seleccionados los parámetros, reconstruir toda la pila de imágenes mediante la selección de "correr". Todos los archivos de datos posteriores se pueden encontrar en el "Directorio de salida" se especifica, el directorio por defecto estará en un archivo de salida dentro de la carpeta de datos en bruto.
3. Acceso a los datos en bruto de la tomografía slatas de cualquier equipo por ir a la página web http://spot.nersc.gov/, que es el NERSC (LBNL superordenador) del servidor a través del portal SPOT.
   Nota: Cada investigador individual debe tener su propio NERSC cuenta para acceder a sus bases de datos específicas. Una configuración de usuario lata una cuenta en https://nim.nersc.gov/nersc_account_request.php. En la línea de luz, cada grupo de investigación se le asigna una cuenta de línea de luz. Esta cuenta se utiliza para acceder a ordenadores línea de luz, y también se puede utilizar para acceder a los datos directamente desde el servidor en línea de haz utilizando Globus Online.
4. Visualizar los datos, tanto en 2D y 3D mediante la carga de la pila de 2D reconstruido imágenes en cualquier software de análisis en 3D. Las muestras y las imágenes presentadas aquí utilizan el software Avizo para realizar el análisis y visualización, que está disponible para los usuarios en línea de haz en cualquiera de los equipos de análisis de línea de luz 8.3.2.
5. Después de un conjunto de datos se carga en el software de visualización realizar más análisis de datos para obtener información cuantificada sobre específica Feturas dentro de la muestra. A menudo, los conjuntos de datos se muestrean con el fin de reducir el tamaño de los datos de salida. Sin embargo esto puede aumentar el tamaño del voxel reducción de la fidelidad, pero alisar la vista de la imagen para la segmentación más fácil.
   1. Seleccionar características del segmento de interés por umbralización el histograma de la pila de 2D reconstruida rebanadas y asignar un nuevo valor de píxel de píxeles que se encuentran dentro de un rango especificado.
   2. Visualizar volúmenes y superficies segmentadas. Una vez se segmentan las características que se ven en 3D utilizando Avizo o cualquier software de visualización preferida. Esto permite interpretaciones de la superficie 3D de características específicas, como las bolas de soldadura en una cierta región de interés.
   3. Cuantificar las características de la muestra, es decir, el tamaño de la grieta, vías, porosidad, defectos, etc. Una vez que se identifica una característica de interés, tal como una vía o grietas sobre la característica puede ser segmentada y la información volumétrica en el ancho de la grieta, la longitud, a través del volumen, distribución de la porosidad se puede cuantificar mediante la evaluación de la Tomographic conjunto de datos.
   4. Crear una película de la muestra que muestra la muestra en diferentes orientaciones. Película 1 muestra ejemplos de las diferentes vistas en sección transversal y vistas de volumen de la representación por el paquete microelectrónico reflejado en la orientación horizontal.

Resultados

Las imágenes capturadas mediante tomografía se producen debido a la absorción diferencial de los rayos X en las interconexiones de soldadura, trazas metálicas y otros materiales en el paquete de microelectrónica como una función de las diferentes longitudes de atenuación y el espesor de estas múltiples materiales. El paquete SIP consistía en una pastilla de silicio unido a un sustrato de cerámica con el primer nivel de interconexión (FLI) flip-chip bolas C4 soldadura de aproximadamente 80 m de diámetro; de nivel medio d...

Discusión

Todos los pasos descritos en la sección de protocolo son fundamentales para la obtención de imágenes de alta resolución de muestras multi-escala y de múltiples materiales. Uno de los pasos más importantes es el montaje de la muestra y el enfoque de la óptica, que son vitales para la obtención de imágenes de calidad que pueden ser utilizados para la cuantificación. En concreto, incluso un ligero movimiento de la muestra podría causar artefactos en la imagen reconstruida y desenfoque causaría un deterioro en la resolución...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Beamline 8.3.2	Berkeley, CA, EE. UU		. http://microct.lbl.gov/